對話(huà)專(zhuān)家 | 釋疑LED顯示的幾個(gè)基本問(wèn)題

　　本文是歐司朗光電半導體資深應用工程師趙云和市場(chǎng)經(jīng)理梁澤春對于LED顯示行業(yè)幾個(gè)常見(jiàn)技術(shù)問(wèn)題作出的解答，以及歐司朗光電半導體針對不同技術(shù)方面，給出對應的產(chǎn)品解決方案。

　　戶(hù)外顯示屏亮度越高越好?

　　在國內LED顯示屏行業(yè)，亮度一直是大家拿來(lái)評估顯示效果的最只要指標，特別是針對戶(hù)外使用的屏幕。久而久之就形成了亮度越高越好的誤解，卻忽略了另外一個(gè)對顯示效果極為重要的指標——對比度。

　　根據行業(yè)標準SJ/T11281-2007《發(fā)光二極管(LED)顯示屏測試方法》的定義，顯示屏在一定的環(huán)境照度下，其最大亮度與背景亮度之比稱(chēng)為最高對比度(具體測試條件和方法見(jiàn)該標準)。例如一個(gè)屏幕在全白屏狀態(tài)時(shí)候亮度為5000cd/m2，全黑屏狀態(tài)亮度為1cd/m2，這樣屏幕的對比度就是4999:1。對比度的定義其實(shí)強調了在使用環(huán)境中，顯示畫(huà)面的可辨識程度，相對于亮度指標，對比度指標增加對全黑屏狀態(tài)下的亮度考察，而全黑屏狀態(tài)下的亮度又與環(huán)境光和屏幕本體(LED和面罩)的反光屬性密切相關(guān)。以下戶(hù)外的對比實(shí)例可以看出，亮度高而對比度低的屏幕反而沒(méi)有亮度相對低而對比度高的屏幕效果好。

圖1 不同亮度和對比度屏幕的效果對比

　　為了提高LED顯示屏的對比度，歐司朗光電半導體自從2007年推出全球第一款黑體表貼三合一LED (LRTB GFUG)以來(lái)，一直專(zhuān)注于降低LED表明的反光系數，目前主推的產(chǎn)品LRTB GRUG(圖二)是市面上表面黑度最高的LED之一，它不但采用黑體外殼，而且芯片周邊的支架也做了通體黑色處理。該產(chǎn)品配合特種的驅動(dòng)和面罩設計，可以做到高達8000:1的最高對比度。

圖2 歐司朗光電半導體產(chǎn)品LRTB GRUG

　　另外，即使在對比度一定的條件下，也不是亮度越高越好。亮度過(guò)高的屏幕可能帶來(lái)以下3點(diǎn)問(wèn)題：(1)高能耗;(2)光污染;(3)硬件壽命降低。

　　綜上所述，我們認為L(cháng)ED顯示屏的亮度并不是越高越好，對比度的指標比高度指標更能體現顯示效果的好壞;并且在對比度一定的條件下，也不是亮度越高越好。

　　LED顯示屏可視角度越大越好?

　　在討論視角的大小之前，同樣我們需要先理清一下視角的概念。行業(yè)內不少廠(chǎng)家對弈視角規格的設定不夠準確，認為可以看到顯示內容的角度都是視角范圍，其實(shí)不然。根據行業(yè)標準SJ/T 11281-2007《發(fā)光二極管(LED)顯示屏測試方法》的定義，假設顯示屏法線(xiàn)方向的亮度為L(cháng)f，從顯示屏中心法線(xiàn)左右兩側檢測顯示屏的亮度，當左右兩側亮度值下降到Lf/2時(shí)，兩條觀(guān)測線(xiàn)之間構成的夾角稱(chēng)為顯示屏水平方向的視角。垂直方向視角同理。

　　LED本身的視角也是基于以上同樣的定義。而由于顯示屏上的亮度測試的定義，光探頭至少需要包換16個(gè)LED像素點(diǎn)，會(huì )導致屏的視角會(huì )比所使用的LED的視角稍大的現象(假設面罩無(wú)擋光)。如圖三所示的例子，由100度視角LED所做成的LED顯示屏有134度的可視角。

圖3 LED與LED顯示屏的相對光強對比

　　那么LED顯示屏的視角是不是越大越好?其實(shí)這取決于不同的應用需求。例如道路交通信息屏，由于顯示內容的受眾只為路面車(chē)輛，所以視角通常只需要30度左右，過(guò)大的視角反而會(huì )造成在其它角度的光污染，以及能效的降低;又例如戶(hù)外大樓外墻的廣告顯示屏，顯示內容的受眾為街道上的路人，所以水平視角需要相對較大，而垂直視角應該盡量減小。

　　針對不同的應用需要，歐司朗光電半導體具有一系列不同視角規格的LED產(chǎn)品，圖四所列為其中3種不同產(chǎn)品。

圖4 不同視角規格的顯示應用LED

　　LED波長(cháng)范圍越窄顏色一定越一致?

　　LED顯示屏顯示色彩的均勻一致性取決于以下三點(diǎn)：(1)LED個(gè)體之間顏色的一致性，(2)驅動(dòng)芯片輸出電流的一致性，(3)溫度的一致性。而這其中LED個(gè)體之間的一致性最重要。雖然目前基于控制系統的逐點(diǎn)校正方法已經(jīng)很成熟，但是校正是要以犧牲絕對亮度和三基色飽和度為代價(jià)的。是以，LED的出廠(chǎng)一致性對于顯示色彩的均勻一致性還是至關(guān)重要的。

　　目前行業(yè)中的主流做法是，LED供應商通過(guò)主波長(cháng)作顏色分Bin，通過(guò)不斷縮小主波長(cháng)的上下限范圍來(lái)提高色彩一致性。但是，使用主波長(cháng)作為限制顏色的唯一參數是完全不合理的方式。

　　圖五所示為色度學(xué)領(lǐng)域定義的CIE1931色空間，所有可見(jiàn)光顏色位于該馬蹄形圖形以?xún)?，并且可以通過(guò)(x, y)坐標嚴格定義。每種顏色具有主波長(cháng)和飽和度兩個(gè)屬性。主波長(cháng)通過(guò)邊界上的波長(cháng)點(diǎn)和等能量點(diǎn)(0.333, 0.333)之前的連線(xiàn)定義，飽和度由該線(xiàn)段上的比例定義。例如在圖五中，我們選取某一綠色點(diǎn)B，作連接E點(diǎn)和B點(diǎn)的直線(xiàn)并延長(cháng)到邊界A(540nm)點(diǎn)，那么該綠色的主波長(cháng)就是540nm;而該點(diǎn)的飽和度為BE/AE = 50%。線(xiàn)段AE上的所有顏色點(diǎn)都具有540nm的主波長(cháng)，而差異在于飽和度不一樣。

圖5 CIE1931色空間

　　所以，主波長(cháng)的顏色分Bin方式并不科學(xué)，由于完全缺失了飽和度的規格限制，即使再窄的波長(cháng)范圍也無(wú)法精確限制顏色的一致性。

　　歐司朗光電半導體對于所有的LED顯示屏用產(chǎn)品，采用基于CIE1931色空間的色坐標分Bin方式，對出貨LED的主波長(cháng)和飽和度兩方面同時(shí)限定規格。和其他家主波長(cháng)分Bin的直觀(guān)對比如圖六舉例所示，圖中黃色四邊形是歐司朗LED LRTB GRUG 綠光第5號Bin(更多其它Bin區，請參加該產(chǎn)品規格書(shū)) 的顏色區域所在。而假設某家其他LED供應商以526nm到531nm的主波長(cháng)范圍為出貨規格，那么該規格在圖六中對應的顏色范圍就是紅色的三角區域，該區域幾乎是黃色四邊形的5倍大小。即使是把主波長(cháng)范圍縮小至527nm到529nm的2nm寬度，該顏色離散區域仍然是我們色指標四邊形的2倍。

圖6 歐司朗光電半導體色坐標分Bin和其他家主波長(cháng)分Bin的對比

　　綜上所述，由于通過(guò)主波長(cháng)定義顏色本身的不合理性，并不能通過(guò)縮窄LED的主波長(cháng)范圍來(lái)有效提高顏色的一致性。而正確的做法是，通過(guò)色坐標分Bin的方式同時(shí)合理限制出貨產(chǎn)品的主波長(cháng)范圍和飽和度范圍。歐司朗光電半導體對于所有的LED顯示屏用產(chǎn)品都采用色坐標分Bin方式，通過(guò)精準的在線(xiàn)分Bin設備和材料工藝精度控制，我們既能保證自身足夠高的產(chǎn)率又能給LED顯示屏應用提供顏色高度一致性的LED。

　　顯示像素密度越大越好?

　　顯示像素密度似乎永遠是越大越好，因為這意味著(zhù)理論上顯示畫(huà)面就會(huì )越細膩。然而像素密度到底要多大，我們認為需要從以下三方面來(lái)考慮。

　　第一，人眼的分辨能力(暫不考慮人眼以外的觀(guān)測設備。根據《TCO Certified Displays 7.0》要求，人眼1度的視角內至少需要30個(gè)顯示像素點(diǎn)，也就意味著(zhù)單個(gè)點(diǎn)間距對于的視角要求是1/30

　　人眼能夠分辨兩個(gè)點(diǎn)光源的極限是這兩個(gè)點(diǎn)光源和人眼形成1/60的弧度角，那么該兩點(diǎn)的距離(Dpp)和觀(guān)測距離(L)就有如下關(guān)系：

　　當觀(guān)測距離(L)是10米時(shí)，點(diǎn)間距的極限(Dpp)就是5.8mm。更高的像素密度將是沒(méi)有意義的。

圖7 點(diǎn)間距和觀(guān)測距離

　　第二，片源，視頻處理器和驅動(dòng)芯片的負載能力。片源的分辨率若遠低于顯示設備的分辨率，顯示設備顯然是能力過(guò)剩。對于視頻處理器和驅動(dòng)芯片，如果能力保持一定，那么負載像素的增多會(huì )造成刷新頻率或者灰階的降低。很多時(shí)候，低刷新或者低灰帶來(lái)的顯示效果比像素密度低還要差。

　　第三，成本。首先LED數量的增加會(huì )隨著(zhù)像素分辨率的平方倍增加。PCB板的成本也會(huì )因為單位面積更為負責的線(xiàn)路設計而增加。另外，如果不想犧牲行掃數、刷新率或灰度，驅動(dòng)元器件的成本也會(huì )急劇增加。

　　相同點(diǎn)間距下，LED尺寸越大越好?

　　這個(gè)問(wèn)題可以等價(jià)為L(cháng)ED發(fā)光面在總個(gè)顯示面積中的占據比例，顯示效果是不是越大越好。首先需要強調的一點(diǎn)是，要討論顯示效果，都要以在合適的觀(guān)測距離為前提的。如果觀(guān)測距離過(guò)近，導致圖案像素離散，那就是像素密度設計不合適的問(wèn)題，而不是LED占據比例不足的問(wèn)題。

　　在觀(guān)測距離足夠大的情況下，LED發(fā)光面在總個(gè)顯示面積中的占據比例將會(huì )影響屏幕的對比度。由于LED與LED之間的空間會(huì )由面罩占據，而即使是最黑的LED，表明反光率也會(huì )比面罩高，所以，LED發(fā)光面在總個(gè)顯示面積中的占據比例越高，屏幕的對比度就越低。圖八為相同點(diǎn)間距、不同LED尺寸的顯示示意對比。

圖8 相同點(diǎn)間距、不同LED尺寸的顯示示意對比

　　針對這一理論，歐司朗光電半導體推出1010尺寸封裝的高亮度LED (型號LRTB R48G)，適合點(diǎn)間距3-5mm的顯示設計。相對于傳統基于2020或相似尺寸LED的設計，LRTB R48G可以在保證亮度的前提下提供更高的顯示對比度。

　　戶(hù)外防護能力=防水性能?

　　針對戶(hù)外使用的LED顯示屏需要應對嚴酷的環(huán)境考驗，對LED的可靠性要求很好。目前行業(yè)內不少做法是直接看防水性能。誠然，顯示屏上LED因為受潮或進(jìn)水而導致的失效在所有各種失效模式中占比很高。但是，LED的戶(hù)外可靠性絕不簡(jiǎn)單等價(jià)于防水性能。我們認為對于LED除了防水性能的要求，還需至少考慮以下三點(diǎn)：(1)戶(hù)外復雜氣體成分對LED的影響;(2)太陽(yáng)輻射對LED的影響;(3)戶(hù)外更加嚴苛的高低溫以及濕度用LED的影響。

　　歐司朗光電半導體對于戶(hù)外LED顯示屏應用的LED，嚴格規定以下7大類(lèi)22項可靠性測試要求。在防水性能上，采用國際通用的IP等級測試規范。針對上面提到的另外三點(diǎn)，我們增加腐蝕性氣體測試和鹽霧測試可以保證產(chǎn)品應用于各種惡劣室外環(huán)境(如工業(yè)或汽車(chē)尾氣環(huán)境，海邊潮濕環(huán)境等);太陽(yáng)/紫外輻射測試可以保證產(chǎn)品在戶(hù)外陽(yáng)光直接照射下的性能可靠性;更全的高低溫含濕度的壽命測試、高低溫沖擊測試來(lái)應對戶(hù)外溫度濕度的劇烈變化。具體測試條件和結果請參閱歐司朗光電半導體不同產(chǎn)品的可靠性報告文件。

圖9 歐司朗光電半導體對于戶(hù)外顯示屏應用的LED產(chǎn)品的測試規范

　　不“死燈”就是LED沒(méi)失效?

　　業(yè)界通常使用“死燈”(LED短路或開(kāi)路)來(lái)定義LED的失效與否，用“死燈”率ppm來(lái)評判LED質(zhì)量的高低。誠然，LED的短路和開(kāi)路會(huì )直接導致LED顯示屏上的壞點(diǎn)、線(xiàn)狀或者十字顯示失效。然而我們認為，LED的失效不能只定義為開(kāi)路或短路，而應該是任何關(guān)鍵規格參數的變化超過(guò)可接受范圍。這樣規格參數至少應該包含：(1)亮度——LED亮度的衰減會(huì )降低屏幕亮度，RGB之間的衰減不一致會(huì )造成屏幕的整體色飄，LED個(gè)體之間的衰減不一致會(huì )造成“花屏”;(2)色點(diǎn)——色點(diǎn)的變化通過(guò)會(huì )造成屏幕飽和度的下降，三基色以及白平衡的色飄，LED個(gè)體之間的色點(diǎn)偏移不一致會(huì )造成“花屏”;(3)電壓值——LED的老化會(huì )造成電壓值得升高，過(guò)高的LED電壓可能會(huì )造成驅動(dòng)芯片控制的問(wèn)題;(4)反向漏電流——特別針對戶(hù)內小間距應用，反向漏電流的變大正是LED短路的前兆。

　　歐司朗光電半導體所有LED顯示屏應用的LED產(chǎn)品，都能提供詳盡的可靠性測試報告。報告內容不只是提供“死燈”率，而是通過(guò)在每項測試中LED關(guān)鍵規格隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)(如圖十所示，產(chǎn)品LRTB GRUG在高溫高濕1000小時(shí)的測試中，亮度、電壓和色點(diǎn)隨時(shí)間的變化曲線(xiàn))。